城際鐵路橋上縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道扣件系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)研究

蔡文鋒,顏 華,徐 浩

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

隨著我國(guó)城市圈建設(shè)的發(fā)展，城際鐵路建設(shè)日益加快，無(wú)砟軌道由于具有高穩(wěn)定性、高可靠性、高平順性和強(qiáng)耐久性等典型優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于城際鐵路中[1-4]。為此，國(guó)家鐵路局2015年鐵路工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編制計(jì)劃(國(guó)鐵科法函[2015]62號(hào))中提出要編制城際鐵路無(wú)砟軌道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖，其中中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司承擔(dān)了設(shè)計(jì)速度120 km/h城際鐵路縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道通用圖編制工作。鋼軌扣件是軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對(duì)減輕支承結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)、保證軌道電路的正常工作和行車(chē)安全起著重要作用，因此亟需研究適應(yīng)城際鐵路縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道扣件系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)取值。

由于無(wú)砟軌道的彈性主要由扣件系統(tǒng)提供，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)無(wú)砟軌道扣件系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)取值進(jìn)行了不少研究。段玉振[5-6]通過(guò)建立車(chē)輛-線路垂向耦合模型，研究了城際高鐵無(wú)砟軌道扣件剛度、扣件間距的取值。崔國(guó)慶[7]則通過(guò)建立雙塊式無(wú)砟軌道準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算模型，研究提出了雙塊式無(wú)砟軌道的合理扣件剛度取值。田春香等[8]從鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力、軌道位移及軌道動(dòng)力學(xué)等方面，針對(duì)高速鐵路扣件間距的合理取值進(jìn)行了計(jì)算分析。何曉敏[9]基于車(chē)輛軌道系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)理論，應(yīng)用時(shí)域能量分析方法研究了直線電機(jī)地鐵車(chē)輛軌道扣件系統(tǒng)剛度取值。

盡管針對(duì)無(wú)砟軌道扣件系統(tǒng)參數(shù)的取值開(kāi)展了一定研究，但尚未見(jiàn)到關(guān)于城際鐵路縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道扣件系統(tǒng)參數(shù)取值的研究報(bào)道。為此，建立了客車(chē)-縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道-橋梁耦合動(dòng)力學(xué)模型，研究了扣件間距、扣件剛度對(duì)橋上縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道動(dòng)力特性的影響規(guī)律，并基于層次分析法，對(duì)橋上縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道系統(tǒng)動(dòng)力特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出了城際鐵路縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道扣件系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)取值，從而為相關(guān)工程提供參考。

1 計(jì)算模型與求解方法

城際鐵路縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道由鋼軌、扣件、短軌枕和現(xiàn)澆縱向承臺(tái)組成，橋上縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)如圖1所示。縱向承臺(tái)與橋梁之間采用預(yù)埋門(mén)型鋼筋連接。

圖1 橋上縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道

由于本文主要考慮列車(chē)-縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道-橋梁系統(tǒng)垂向動(dòng)力響應(yīng)，基于輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論[10-13]，并參考文獻(xiàn)[14-17]運(yùn)用大型通用顯式動(dòng)力分析程序LS-DYNA建立模型并利用內(nèi)置的求解器進(jìn)行求解，建立的車(chē)輛-軌道-橋梁耦合有限元模型如圖2所示。

圖2 客車(chē)-縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道-橋梁耦合動(dòng)力學(xué)模型

模型中，客車(chē)采用車(chē)體、轉(zhuǎn)向架及輪對(duì)組成的多剛體系統(tǒng)模擬，轉(zhuǎn)向架與輪對(duì)由一系懸掛連接，車(chē)體與轉(zhuǎn)向架由二系懸掛連接，一系和二系懸掛采用彈簧-阻尼單元模擬，彈簧的剛度為線性，阻尼按黏性阻尼計(jì)算。鋼軌采用點(diǎn)支承梁模擬，扣件系統(tǒng)采用線性彈簧-阻尼單元模擬，支承間距為扣件間距?？v向承臺(tái)與橋梁也采用梁?jiǎn)卧M，縱向承臺(tái)與橋梁之間的連接采用均布的彈簧-阻尼單元模擬，剛度根據(jù)橋梁的面支承剛度計(jì)算得到。計(jì)算模型的總長(zhǎng)度為160 m。

2 計(jì)算參數(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算時(shí)只考慮一節(jié)車(chē)輛的作用，其中提速客車(chē)采用文獻(xiàn)[10]中的參數(shù)，運(yùn)行速度為120 km/h。提速客車(chē)的車(chē)體質(zhì)量為39 500 kg，轉(zhuǎn)向架質(zhì)量2 200 kg，輪對(duì)質(zhì)量為1 900 kg，車(chē)體點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為2.312×106kg·m2，轉(zhuǎn)向架點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為2 200 kg·m2，輪對(duì)點(diǎn)頭慣量為140 kg·m2，一系懸掛垂向剛度為2.13×106N/m，垂向阻尼為1.2×105N·s/m，二系懸掛垂向剛度為8×105N/m，垂向阻尼為2.174×105N·s/m，軸距2.4 m，車(chē)輪半徑0.457 5 m。

橋上縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道的鋼軌采用CHN60軌，軌距為1435 mm，扣件系統(tǒng)擬采用WJ-7B型扣件系統(tǒng)，扣件系統(tǒng)剛度取為50 kN/mm，扣件垂向阻尼取為7.5×104N·s/m，扣件間距暫取為0.682 m?？v向承臺(tái)寬度為0.9 m，厚度為0.28 m，橋梁支承面剛度為1 000 MPa/m，混凝土采用C40混凝土。橋梁結(jié)構(gòu)為32 m跨度簡(jiǎn)支箱梁，橋梁截面面積為5.334 m2，截面慣性矩為2.093 m4。

2.2 輪軌赫茲接觸剛度及軌道不平順

圖3 德國(guó)高干擾譜時(shí)域隨機(jī)不平順樣本

提速客車(chē)與軌道間的耦合作用通過(guò)輪軌接觸實(shí)現(xiàn)。輪軌垂向作用力由赫茲接觸理論確定[10]，為便于計(jì)算，采用只受壓的線性彈簧模擬。根據(jù)提速客車(chē)參數(shù)，得到輪軌赫茲接觸剛度為1.162×109N/m。軌道不平順采用德國(guó)高干擾譜，圖3為根據(jù)文獻(xiàn)[18]方法得到的時(shí)域隨機(jī)不平順樣本。

2.3 車(chē)輛-軌道系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用車(chē)體垂向振動(dòng)加速度和輪重減載率評(píng)價(jià)車(chē)輛系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，取動(dòng)態(tài)輪重減載率限值為0.8，車(chē)體垂向振動(dòng)加速度的舒適度標(biāo)準(zhǔn)為0.13g[10](g為重力加速度)。采用輪軌垂向力、鋼軌垂向位移、扣件支點(diǎn)反力、橋梁振動(dòng)加速度評(píng)價(jià)軌道系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，輪軌垂向力不超過(guò)靜輪重的3倍，鋼軌最大垂向位移不超過(guò)1.5 mm，扣件支點(diǎn)反力不超過(guò)WJ-7型扣件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)疲勞荷載70 kN[19]，橋梁垂向振動(dòng)加速度不超過(guò)0.50g。

3 扣件系統(tǒng)參數(shù)取值研究

3.1 扣件間距對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響

扣件系統(tǒng)間距分別取為0.5，0.55，0.6，0.65，0.7 m，由于不同扣件間距下橋上無(wú)砟軌道動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程曲線相似，本文僅給出扣件間距為0.6 m時(shí)橋上無(wú)砟軌道系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程曲線，如圖4所示。橋上無(wú)砟軌道系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)最大值隨扣件間距的變化如表1所示。

圖4 無(wú)砟軌道系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程曲線

扣件間距/m車(chē)體振動(dòng)加速度/(m/s2)輪軌垂向力/kN輪重減載率鋼軌垂向位移/mm橋梁位移/mm橋梁振動(dòng)加速度/(m/s2)扣件支點(diǎn)反力/kN軌道與橋梁接觸應(yīng)力/kPa0.50.51165.010.2941.330.910.75921.3544.440.550.51664.290.2901.360.930.82522.2840.630.60.52963.560.2861.380.930.83523.9437.360.650.53563.400.2811.390.950.84524.3836.880.70.54663.190.2531.410.970.85325.6536.18

從圖4及表1可知，輪軌垂向力、輪重減載率、軌道與橋梁的接觸應(yīng)力均隨扣件間距的增大而減小，而車(chē)體振動(dòng)加速度、鋼軌垂向位移、橋梁位移、橋梁振動(dòng)加速度和扣件支點(diǎn)反力均隨扣件間距的增大而增大。當(dāng)扣件間距從0.5 m增大至0.7 m時(shí)，車(chē)體振動(dòng)加速度增大6.85%，輪軌垂向力減小2.80%，輪重減載率減小13.95%，鋼軌垂向位移增大6.01%，橋梁位移增大6.59%，橋梁振動(dòng)加速度增大12.38%，扣件支點(diǎn)反力增大20.14%，軌道與橋梁的接觸應(yīng)力降低18.59%?？梢?jiàn)，扣件間距主要影響輪重減載率、橋梁振動(dòng)加速度、扣件支點(diǎn)反力和軌道與橋梁的接觸應(yīng)力?？奂到y(tǒng)間距越小，使用的扣件系統(tǒng)數(shù)量越多，將增加工程造價(jià)。

3.2 扣件剛度對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響

根據(jù)城際鐵路縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道通用圖，32 m簡(jiǎn)支梁橋上扣件間距為0.682 m，扣件系統(tǒng)剛度分別取30，50，80，100 kN/mm，不同扣件系統(tǒng)剛度下城際鐵路橋上縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)最大值變化如表2所示。

表2 不同扣件系統(tǒng)剛度下無(wú)砟軌道系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)最大值

從表2可知，除鋼軌垂向位移隨扣件系統(tǒng)剛度增大而減小外，其余動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)均隨扣件系統(tǒng)剛度的增大而增大。當(dāng)扣件系統(tǒng)剛度從30 kN/mm增大至100 kN/mm時(shí)，鋼軌垂向位移降低27.93%，車(chē)體振動(dòng)加速度增大0.89%，輪軌垂向力增大1.31%，輪重減載率增大31.27%，橋梁位移增大3.06%，橋梁振動(dòng)加速度增大52.19%，扣件支點(diǎn)反力增大27.59%，軌道與橋梁的接觸應(yīng)力增大13.17%?？梢?jiàn)，扣件系統(tǒng)剛度主要影響輪重減載率、鋼軌垂向位移、橋梁振動(dòng)加速度、扣件支點(diǎn)反力和軌道與橋梁的接觸應(yīng)力。當(dāng)扣件系統(tǒng)剛度為30 kN/mm時(shí)，鋼軌垂向位移為1.79 mm，超過(guò)鋼軌允許下沉量1.5 mm，因此扣件系統(tǒng)剛度應(yīng)大于50 kN/mm。從減小鋼軌垂向振動(dòng)位移角度出發(fā)，扣件系統(tǒng)剛度越大越好，但扣件系統(tǒng)剛度增大，將加劇橋梁振動(dòng)，對(duì)下部基礎(chǔ)受力不利。

3.3 系統(tǒng)動(dòng)力特性評(píng)價(jià)方法及參數(shù)取值研究

層次分析法是一種實(shí)用的多準(zhǔn)則決策方法，廣泛運(yùn)用于安全科學(xué)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域[20]。參考文獻(xiàn)[21]，基于層次分析法建立了城際鐵路橋上縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道動(dòng)力特性評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)、判斷矩陣，對(duì)不同扣件間距、扣件系統(tǒng)剛度下系統(tǒng)動(dòng)力特性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

城際鐵路橋上縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道動(dòng)力特性評(píng)價(jià)指標(biāo)層次如圖5所示。

注：Pw為靜輪重，L為橋梁跨度。圖5 無(wú)砟軌道動(dòng)力特性評(píng)價(jià)指標(biāo)層次體系

第三層次中的輪重減載率、車(chē)體垂向加速度、輪軌垂向力分別對(duì)應(yīng)第二層次的安全性、平穩(wěn)性和輪軌動(dòng)態(tài)作用，其指標(biāo)權(quán)重均為1。對(duì)于鋼軌位移、橋梁位移和橋梁振動(dòng)加速度等指標(biāo)，假定鋼軌位移對(duì)結(jié)構(gòu)變形與振動(dòng)的影響程度最大，橋梁振動(dòng)加速度次之，橋梁位移影響程度最小，其判斷矩陣為

(1)

對(duì)于扣件支點(diǎn)反力、軌道與橋梁的接觸應(yīng)力，假定其對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響程度一樣，則其判斷矩陣為

(2)

通過(guò)計(jì)算可知，鋼軌位移、橋梁位移和橋梁振動(dòng)加速度相對(duì)于結(jié)構(gòu)變形與振動(dòng)所占權(quán)重分別為0.637、0.105和0.258；扣件支點(diǎn)反力、軌道與橋梁的接觸應(yīng)力相對(duì)于結(jié)構(gòu)受力的權(quán)重均為0.5。第二層次各指標(biāo)相對(duì)于第一層次的最終評(píng)價(jià)結(jié)果假定其影響程度均相同，則第二層次相對(duì)于第一層次所占權(quán)重均為0.2。根據(jù)文獻(xiàn)[20]可知，各層次評(píng)價(jià)結(jié)果應(yīng)在[0，1]區(qū)間，且評(píng)價(jià)結(jié)果越趨于0，說(shuō)明橋上無(wú)砟軌道系統(tǒng)動(dòng)力特性越好，反之，評(píng)價(jià)結(jié)果越接近1，說(shuō)明橋上無(wú)砟軌道動(dòng)力特性越差。若評(píng)價(jià)過(guò)程中出現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果大于1，則說(shuō)明該工況不滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)限值，可認(rèn)為該工況無(wú)效。

不同扣件間距、扣件系統(tǒng)剛度下城際鐵路橋上縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道動(dòng)力特性評(píng)價(jià)結(jié)果如表3、表4所示。

從表3可知，隨著扣件間距的增大，城際鐵路橋上縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道系統(tǒng)動(dòng)力特性評(píng)價(jià)結(jié)果有減小的趨勢(shì)，說(shuō)明扣件間距越大，系統(tǒng)動(dòng)力特性越優(yōu)。綜合考慮工程投資及動(dòng)力特性評(píng)價(jià)結(jié)果，建議城際鐵路橋上縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道扣件間距取值為0.6～0.7 m。

從表4可知，隨著扣件系統(tǒng)剛度的增大，城際鐵路橋上縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道系統(tǒng)動(dòng)力特性評(píng)價(jià)結(jié)果越大，說(shuō)明扣件系統(tǒng)剛度越小，系統(tǒng)動(dòng)力特性越優(yōu)，因此建議城際鐵路橋上縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道扣件系統(tǒng)剛度取值為50～80 kN/mm。

表3 不同扣件間距下橋上無(wú)砟軌道動(dòng)力特性評(píng)價(jià)結(jié)果

(b)第二層次評(píng)價(jià)結(jié)果

(c)第一層次評(píng)價(jià)結(jié)果

表4 不同扣件系統(tǒng)剛度下橋上無(wú)砟軌道動(dòng)力特性評(píng)價(jià)結(jié)果

(b)第二層次評(píng)價(jià)結(jié)果

(c)第一層次評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論

針對(duì)城際鐵路橋上縱向承臺(tái)式無(wú)砟軌道，建立了客車(chē)-無(wú)砟軌道-橋梁耦合動(dòng)力學(xué)模型，以車(chē)體振動(dòng)加速度、輪軌垂向力、輪重減載率、鋼軌垂向位移、扣件支點(diǎn)反力、軌道與橋梁的接觸應(yīng)力及橋梁振動(dòng)加速度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了扣件系統(tǒng)剛度、扣件間距對(duì)橋上無(wú)砟軌道動(dòng)力特性的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論。

(1)扣件系統(tǒng)剛度主要影響輪重減載率、鋼軌垂向位移、橋梁振動(dòng)加速度、扣件支點(diǎn)反力和軌道與橋梁的接觸應(yīng)力等動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)；扣件間距主要影響輪重減載率、橋梁振動(dòng)加速度、扣件支點(diǎn)反力和軌道與橋梁的接觸應(yīng)力等動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)。

(2)鋼軌垂向位移隨扣件系統(tǒng)剛度的增大而減小，車(chē)體振動(dòng)加速度、輪軌垂向力、輪重減載率、橋梁位移、橋梁振動(dòng)加速度、扣件支點(diǎn)反力和軌道與橋梁的接觸應(yīng)力均隨扣件系統(tǒng)剛度的增大而增大。

(3)隨著扣件間距的增大，輪軌垂向力減小，車(chē)體振動(dòng)加速度、鋼軌垂向位移、橋梁位移、橋梁振動(dòng)加速度和扣件支點(diǎn)反力均增大。

(4)綜合考慮系統(tǒng)動(dòng)力特性及工程造價(jià)，建議扣件系統(tǒng)剛度為50～80 kN/mm，扣件間距為0.6～0.7 m。